Synthesis and Characteristics of Thieno[3,4-b] Quinoxaline Sensitizers for DSSC

Abstract

에너지 고갈과 환경문제의 악화가 심화되면서 태양에너지는 친환경 에너 지원으로 많은 관심을 받고 있다. 현재 개발되고 있는 친환경 신재생에너지 중 풍력, 수력, 조력은 모두 환경과 지형의 제약을 받아 대량생산이 불가능하 다. 태양에너지는 새로운 형태의 에너지 중 하나로 다양한 원천을 가지고 있 으며 무공해이며 쉽게 얻을 수 있다. 풍부한 에너지 저장과 다양한 활용 방법 의 특성을 가지고 있으며 개발 잠재력이 크다. 태양전지 개발에 있어 염료감 응형 태양전지는 공급원의 제한이 없고, 경제적인 비용, 다양한 분자구조, 큰 몰 흡광계수 등의 장점으로 인해 활발히 연구되어 왔다. 이러한 중요한 구성 요소로서 증감제의 분자 구조는 광범위한 흡수, 적절 한 에너지 준위, 제어 가능한 흡착 패턴, 조밀한 층 형태 및 우수한 안정성을 목표로 정교하게 조정되어야 한다. 염료 분자의 DπA 구조에서 π-conjugation system의 설계는 흡수band의 영역을 결정할 뿐만 아니라 염료의excitation 상태에서TiO2 표면으로의 전자 주입 효율에도 영향을 미치다. π컨쥬게이션의 확장 및 동일 평면은 전자의 전도도를 증가시킬 수 있다. 우리 실험실에 연구 했던 quinoxaline계 염료인 NQX5에 비해 NQX8와 NQX10는extending π- conjugation 로 인해 염료 분자의 광전 효율을 성공적으로 향상했다. 따라서 NQX5 구조에서 free rotation이 됄 수 있는carbon single bond를stable coplanar thieno bond로 교체 하고 우리는 구조와 광전 변환 성능 간의 관계 를 탐구하기 위해 일련의 트리페닐아민 및 페노티아진 유도체를 전자 공여 그 룹으로, 티에노 퀴녹살린 그룹을 전자 끌기 그룹으로, 카르복실산을 유기 염료 의 전자 수용체 및 고정 그룹으로 설계했다. 결과 및 논의 부분은 합성 유기 염료의NMR 및 질량 분석 특성을 보여주 고, 유기 염료에 대한 광물리 및 전기화학적 특성에 대한 연구도 수행되었다. 또한 분자 내 에너지 전달 및 전자 전달에 대한 이론적 계산은 유기 감광성 염료 모델에서 수행됬다. 이를 동해, 광감응형 염료 구조와 광전변환효율의 상 관성에 대해 고찰하였고 미래 고효율 염료의 설계를 위한 기초를 마련하였다|The depletion of energy and the deterioration of environmental problems are getting worse, solar energy has received extensive attention as an environmentally friendly energy source. Among the environmentally friendly renewable energy currently being developed, wind power, hydropower, and tidal power are all limited by the environment and terrain, and cannot be mass-produced. Solar energy, as one of the new types of energy, has a wide range of sources, is pollution-free, and is easy to obtain. It has the characteristics of abundant energy storage and diverse utilization methods and has great development potential. In the development of solar cells, dye-sensitized solar cells have been extensively studied due to their advantages such as no source limitation, economic cost, diverse molecular structure, and large molar extinction coefficient. In a typical DSSC, the dye sensitizer plays a key role in absorbing the sunlight and separating charges. As such an important component, the molecular structure of sensitizers should be elaborately tailored with the aim of broad absorption, suitable energy levels, controllable adsorption pattern, and compact layer morphology as well as excellent stability. Studies have shown that most organic dye sensitizers have a donor-π-acceptor (D-π-A) structure, The π bridge plays a very important role in the transmission of electrons. The extending and coplanar of π conjugation can increase the conductivity of electrons. Therefore, we designed a series of triphenylamine and phenothiazine derivatives as electron-donating groups, thieno quinoxaline groups as electron-withdrawing groups, and carboxylic acid as electron acceptors and anchoring groups for organic dyes to explore the relationship between structure and photoelectric conversion performance. All the chemical synthesis methods, the preparation and detection methods of dye-sensitized solar cells that we have used are reflected in this article. The results and discussion part show the NMR and mass spectrometry characterization of synthetic organic dyes, the study of photophysical and electrochemical properties about organic dyes are also been done. Moreover, theoretical calculations of intra-molecular energy transfer and electron transfer are carried out on the model of organic photosensitive dyes. The results show that the structure of organic dyes has a great influence on their photophysical and electrochemical properties. Due to the longer π-conjugation system structure, the dyes exhibited larger absorption bands. The designed LUMO and HOMO energy levels of organic dyes can simultaneously meet the requirements of injecting excited electrons into the conduction band of TiO2 and regeneration of vat dyes. The optimization of the dye structure showed that the photoelectric conversion efficiencies of dye 1 was 3.62%, dye 2 was 4.57% , dye 3 was 4.15% and dye 4 was 3.68%, respectively. It is expected that this research will provide some references in practice and theory for π bridge design, synthesis and application of thieno quinoxaline-based organic dyes.